汤河水库大坝安全监测自动化系统的故障诊断系统分析

温有鸣，王秀弟，刘 丹

(辽宁省汤河水库管理局，辽宁辽阳 111000)

1 概述

汤河水库位于辽阳市弓长岭区汤河乡境内，建于太子河一大支流——汤河干流上，是一座以防洪、城市和生活供水为主，兼顾灌溉、养鱼、发电等综合利用的国家大(2)型水利枢纽工程。总控制流域面积为1 228 km2。大坝为黏土斜墙砂壳坝，坝长455 m，最大坝高48.5 m。主要枢纽建筑物有大坝、输水洞、溢洪道、水电站。水库始建于1958年，续建于1969年，1978年开始安全加固施工，1985年竣工验收。

为监测坝体在水库蓄水运行过程中可能发生的渗透情况，共计布设20根测压管观测点(图1)。随着科技的发展及水库管理水平的逐渐提高，汤河水库于2003年进行大坝安全监测自动化系统的安装，系统于2003年5月9日安装调试结束，并投入运行，实现了坝体浸润线观测的自动化。由于它的及时性和准确性，已经成为大坝安全性观测的不可或缺的最主要的手段。

图1 汤河水库大坝观测网布置图

汤河水库大坝安全监测系统分为硬件系统和软件系统两大部分，硬件系统通过在坝坡上布设测点，利用水位传感器，首先将数据传输到数据采集器上，再通过通信系统传输到坝下监控设备;软件系统安装在坝下监控设备中，主要用于完成遥测中心站数据采集、数据分析、监控以及远程配置等任务。

系统主体设备安全稳定运行至今已有7 a时间，鉴于电子设备的老化，部分电子部件已见老化现象，逐渐出现了系统不稳定和电子漂移等诸多问题，给坝体安全监测、运行分析带来了极大的不便。

2 问题的提出

坝下监控设备无法接收到数据。且从坝上主MCU扩展板采集到的测压管数据与实际情况不符，数据随机变化，情况异常。

3 问题的解决

影响监控设备接收或显示测压管数据的因素主要有以下几个部分:①通讯系统;②软件系统;③采集系统;④防雷系统;⑤传感器。因此笔者主要从这5个方面对系统仔细排查。

3.1 通讯系统及监控设备软件系统排查

将监控设备直接连接到坝上主MCU扩展板上，不通过光纤，直接从采集器上读取原始数据，以此来判断数据无法接收的问题是否由光纤通讯系统的故障所致。

具体操作步骤如下:

将主MCU扩展板上com2口通过串口线连接到监控设备上，设置设备管理器com口和通讯软件中server的com口，使端口号保持一致。运行smartdata软件，启动测试，测试成功，数据接收正常。因此可以判断，主MCU扩展板至坝下监控设备间的光纤出现问题。经专业人员检测后发现光纤出现两处断点，恢复后，坝下监控设备无法接收到数据的问题得以解决。

数据传输正常时，每采集一次数据，数据显示区会显示3组数据，一组“模拟量11”数据，表示主MCU扩展板所采集数据，依次为测压管R1水位、R1温度、R2水位、R3水位、R4水位。两组“命令字1A”数据，第一组为A9箱内扩展板所采集的数据;第二组为A16箱内扩展板所采集的数据。通过连续几天的数据跟踪测试，发现监控设备所显示数据与实际测量数据不符，且部分测压管数据随机变化，情况异常。

为查明原因，笔者先后对数据采集系统(即扩展板)、防雷系统、传感器及各测压管箱之间的通讯电缆进行逐一排查。

3.2 数据采集系统(即扩展板)及防雷系统的排查

汤河水库大坝自动化监测系统共有3个扩展板，其中1个主MCU，2个扩展单元。主MCU扩展板所采集数据，依次为测压管R1水位、R1温度、R2水位、R3水位、R4水位。A9箱内扩展单元(1)所采集的数据，依次为测压管A4水位、A4温度、A5水位、A5温度、A6水位、A6温度、A7水位、A8水位、A9水位、R5水位、R5温度、R6水位、R7水位、R8水位;第二组为A16箱内扩展板所采集的数据，依次为测压管A1水位、A2水位、A3水位、A16水位、A17水位、A17温度、A18水位。

电源首先由避雷模块进入，再进入扩展板模块。查看电源及各模块状态均正常。例如，主MCU扩展板上，在启动测试时L2、L4指示灯亮，测完一组数据后，进入省电模式，灯灭。将扩展板上的79、80端指短接上，系统始终处于上电模式，L2、L4指示灯常亮。经过一系列测试，表明模块运行正常。

3.3 通讯电缆及传感器的排查

根据监控设备所显示的数据表明，A1测压管数据始终保持不变，与实际情况不符，情况异常;A4、A5、A6等测压管数据变化幅度较大，切与实际情况不符，变化异常。

为查明原因，笔者先后查阅相关资料，得出A4、A5、A6等测压管数据的传输协议均是采用485数字协议，在通讯线路处于断路的情况下，传送随机数据。A4、A5、A6测压管数据变化异常的情况正与之相吻合，接下来笔者对各测压管箱之间的通讯电缆逐一进行排查，看是否出现断路情况。

结果发现A1测压管与A16测压管箱内的扩展单元(2)之间的通讯电缆出现断点;A4、A5、A6测压管与A9箱内的扩展单元(1)之间的通讯电缆出现断点。且各断点均有一个共同点，即是断点均发生在纵向穿线管与测压管箱的连接处，初步分析为坝坡块石受重力作用向下积压，导致管口下沉，切断电缆。

将通讯电缆恢复后，数据传输恢复正常。为进一步检测大坝安全监测自动化系统所采集数据的准确性、可靠性，又先后对各测压管箱内的传感器进行测试。压力式传感器是利用水压感应原理来测试测压管内的水位，因此笔者通过改变传感器在测压管内水中的高度，与所传输的测压管水位数据变化的高度相对比，以此来判断其灵敏度。经测试，绝大部分测压管箱内的传感器均出现灵敏度不高，且零点漂移的现象。目前各传感器已全部更新完毕，大坝安全监测自动化系统已恢复正常，所采集传输的数据实时、准确、可靠。

4 结语

汤河水库大坝安全监测自动化系统的安装，实现了浸润线观测的自动化观测，然而电子元件在使用过程中随着时间的推移难免会老化、发生故障，因此工作人员在日常工作中必须专业、细心的对系统进行维护，出现故障及时排除，才能使系统始终处于正常运行的状态，保证系统采集、传输的数据准确、可靠，为汤河水库坝体的安全运行提供有力保障。

［1］何永军，刘成栋，向衍，等.大坝安全监测与自动化［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［2］郑春成，王美君，唐庆艳.提水试验在土坝安全监测工作中的作用［J］.农业与技术，2007(01):112－115.

［3］吴斌.汤河水库水毁原因分析及处理措施［J］.中国科技信息，2012(04):38.